마찰전기 나노발전기 기반 자기구동 바이오닉 와우막 센서: 고해상도 주파수 선택성 구현

초록

감각신경성 난청은 모든 연령층에 영향을 미치는 가장 흔한 만성 장애입니다. 기존 와우 이식술은 부피가 크고 외부 전원이 필요하며 환자 편의를 제한합니다. 본 연구는 와우막의 주파수 선택적 역학을 모방하고 마찰전기 나노발전기(TENG)를 통해 음향 에너지를 수확하는 새로운 바이오닉 와우 센서를 제안합니다. 이 소자는 두 개의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막 위에 사다리꼴로 배열된 9개의 은 전극을 포함하며, 가청 주파수 대역(20~3000 Hz)에서 뚜렷한 공진 피크를 보입니다. 음향 유도 진동에서 얻은 자기구동 작동은 청각 재활을 위한 소형이고 사용자 친화적인 대안을 제시합니다.

배경

전 세계적으로 감각신경성 난청은 노화, 소음 노출, 이독성 약물, 외상 등으로 발생하며 주파수 분별력과 일상 소통을 저해합니다. 와우의 기저막은 음파를 주파수별로 분리하고 기계적 진동을 전기적 신호로 변환해 청신경을 자극합니다. 기존 이식술은 외부 프로세서와 이식된 전극 어레이로 음향 신호를 전기 펄스로 변환하지만, 눈에 띄는 하드웨어와 외부 전원 때문에 환자 부담이 큽니다.

최근 마이크로·나노 스케일 음향 센서들이 압전 또는 마이크로빔 기술을 이용해 와우의 선택성을 모방하려 시도했으나, 낮은 출력 전압, 복잡한 공정, 제한된 주파수 커버리지 등의 한계가 있습니다. 마찰전기 나노발전기(TENG)는 기계적 운동을 최소한의 복잡성으로 유의미한 전기 신호로 변환하는 매력적인 대안입니다. 주파수 변화에 민감한 특성 덕분에 자기구동형 주파수 선택적 와우 대체 소자 설계에 이상적입니다.

실험 방법

센서 설계는 와우 기저막의 사다리꼴 기하학을 모방해 막을 따라 국소 공진 주파수가 변화하도록 했습니다. 소자는 중앙에 사다리꼴 슬릿(밑변 30 mm, 윗변 10 mm, 높이 100 mm)이 있는 두 개의 120 mm × 60 mm × 4 mm 아크릴 판으로 구성됩니다. 두 개의 20 µm 두께 PTFE 막(각 120 mm × 60 mm)을 20 µm 카프톤 스페이서 양쪽에 배치해 좁은 간격을 형성하고 음향 압력 임계값을 설정했습니다. 9개의 4 × 8 mm 은 전극(약 200 nm 두께)을 상부 PTFE 표면에 스퍼터 증착했으며, 아래쪽부터 #1~#9로 번호 매겼습니다. 전극 간 평면 거리는 10 mm로 기계적 간섭을 최소화했습니다.

진동 응답은 100~3000 Hz에서 레이저 도플러 진동계(LDV)로 측정했고, 마찰전기 전압 출력은 프리앰프와 오실로스코프로 기록했습니다. 보정된 스피커로 다양한 압력의 정현파 음향파를 전달했습니다. COMSOL Multiphysics 시뮬레이션으로 선택된 주파수(300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz)에서 막 변위 패턴을 모델링해 실험 결과를 검증했습니다.

결과 및 논의

음압이 증가함에 따라 전극 #2, #5, #8의 진동 진폭과 해당 마찰전기 전압이 선형적으로 증가했습니다(Fig. 3). 이 선형성은 소자가 전기적 읽기를 통해 음향 강도를 정량화할 수 있음을 확인시켜 줍니다.

주파수 의존성 테스트에서 각 전극별로 뚜렷한 공진 피크가 나타났습니다: 전극 #2는 200 Hz, #5는 1030 Hz, #8은 1850 Hz에서 피크를 보였고, 최대 전압은 104 mV에 달했습니다. 주파수가 높아질수록 공진이 높은 번호 전극으로 이동하는 현상은 기저막의 토노토픽 조직을 재현합니다(Fig. 4d). 진동 진폭과 전압 출력 스펙트럼이 거의 일치해 소자의 이중 기계-전기 변환 효율을 입증합니다.

COMSOL 시뮬레이션(Fig. 5)에서 PTFE 막의 최대 변위 위치가 주파수 상승에 따라 밑변에서 윗변 쪽으로 이동함을 보여주며 실험 결과를 뒷받침합니다. 마찰전기 메커니즘은 음압 하에서 상부 PTFE와 은 코팅된 하부 PTFE 간 접촉 대전, 그리고 막 분리 시 정전 유도로 측정 가능한 전압 펄스가 생성되는 과정입니다(Fig. 6).

결론

사다리꼴 PTFE 막과 마찰전기 나노발전기를 통합해 기저막의 역학을 복제하는 자기구동형 주파수 선택적 와우 대체 소자를 입증했습니다. 9개 전극 어레이는 가청 범위 전반에 걸쳐 뚜렷한 공진 피크를 제공해 정밀한 주파수 분별을 가능케 합니다. 실험과 유한요소 해석 결과 국소 진동 진폭과 마찰전기 전압이 해당 주파수에서 피크를 이뤄 와우의 토노토피를 모방함을 확인했습니다. 이 저비용, 이식 가능한 플랫폼은 외부 전원이나 부피 큰 하드웨어 없이 감각신경성 난청 치료의 유망한 대안이 될 것입니다.

약어

LDV

레이저 도플러 진동계 측정 시스템 (Laser Doppler vibrometer measuring system)

PM

폴리테트라플루오로에틸렌 막 (Polytetrafluoroethylene membrane)

PTFE

폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene)

TENG

마찰전기 나노발전기 (Triboelectric nanogenerator)